JVM中的垃圾回收暂停是什么，为什么会出现暂停，不同的垃圾回收机制暂停对比

JVM中的垃圾回收暂停是什么？

在Java虚拟机（JVM）中，垃圾回收暂停（Garbage Collection Pause），也称为“Stop-The-World”事件，是指当垃圾收集器执行特定阶段时，所有应用程序线程都会被暂时停止，直到该阶段完成。这种暂停是为了确保垃圾收集过程能够正确地识别和回收不再使用的对象而不受到其他线程的干扰。

为什么会出现暂停？

出现暂停的主要原因是为了保证数据一致性：

1. 标记阶段：在许多垃圾收集算法中，如标记-清除（Mark-Sweep）、复制（Copying）、标记-整理（Mark-Compact），都需要首先确定哪些对象是存活的（即仍有引用指向它们），哪些是可以回收的。为了准确地识别这些信息，JVM必须保证在这段时间内没有其他线程修改对象图，否则可能会导致错误地将存活的对象标记为可回收，或者反之亦然。因此，在标记阶段，所有用户线程会被暂停。
2. 移动对象：对于某些类型的垃圾收集器，比如那些使用压缩技术来减少内存碎片化的收集器（例如CMS和G1中的某些模式），它们不仅需要识别哪些对象是活的，还需要移动这些对象以释放连续的空间。如果在这个过程中允许其他线程继续运行，则可能导致指针丢失或指向无效位置的问题。为了避免这种情况，也需要暂停所有应用线程。
3. 并发标记的限制：
   尽管有些现代垃圾收集器（如CMS、G1、ZGC等）设计为可以在大部分时间内与应用程序并发运行，但在某些关键点上仍然不可避免地需要短暂的停顿。例如，在CMS中，虽然大部分工作可以并行于应用线程进行，但在初始标记和重新标记阶段仍需短暂停顿；而在G1中，虽然大多数收集活动都可以并发执行，但最终的清理和部分标记阶段也可能需要短暂的STW事件。
4. 简化实现：从实现角度来看，完全避免STW事件会使垃圾收集器的设计变得极其复杂。通过引入有限的STW时段，可以使垃圾收集器的设计更加简单高效，同时也能更好地控制内存管理的准确性。

如何减少GC暂停的影响？

虽然完全消除GC暂停是不可能的，但是可以通过选择合适的垃圾收集器以及调整其参数来最小化这些暂停的影响：

• 选择适当的GC算法：不同的GC算法有不同的特性。例如，G1旨在提供更可预测的停顿时间，并且允许设置最大停顿目标。
• 优化堆大小：合理配置堆内存大小（-Xms, -Xmx）可以帮助减少频繁的GC操作，尤其是Full GC的发生频率。
• 调整新生代与老年代的比例：适当调整新生代(-XX:NewRatio)的大小有助于减少对象晋升到老年代的速度，从而降低老年代的GC压力。
• 使用低延迟GC：像ZGC和Shenandoah这样的新型垃圾收集器专门设计用于最大限度地减少停顿时间，适合对延迟敏感的应用程序。

不同垃圾回收机制下的暂停对比

不同的垃圾收集器有不同的工作方式，这直接影响了它们如何处理暂停以及暂停的频率和持续时间。

1. Serial GC

• 描述：单线程垃圾收集器，适用于单核处理器环境或小型应用。
• 暂停特性：所有的GC操作都是串行执行的，这意味着每次GC都会导致一次完整的Stop-The-World暂停。由于它是单线程的，所以暂停时间相对较长，尤其是在处理大堆时。

2. Parallel GC

• 描述：多线程版本的Serial GC，适用于多核处理器上的高吞吐量需求场景。
• 暂停特性：虽然Young Generation和Old Generation的收集可以并行执行，但仍然涉及Stop-The-World暂停。相比Serial GC，它减少了总的GC暂停时间，因为多个线程同时工作，但是每个暂停事件仍然是全系统的。

3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

• 描述：旨在减少GC停顿时间的老年代收集器，适合响应时间敏感的应用。

• 暂停特性：

  • 初始标记：短暂的STW事件，标记直接从根可达的对象。
  • 并发标记：与应用程序并发进行，不造成停顿。
  • 再标记：另一个短暂停顿，用于修正并发标记期间发生的变动。
  • 并发清除：与应用程序并发进行，清理未被标记为存活的对象。

  尽管大部分工作可以在后台进行而不影响应用程序，但在初始标记和再标记阶段仍会有短暂的暂停。

4. G1 GC

• 描述：一种区域化的垃圾收集器，旨在提供可预测的低延迟。

• 暂停特性：

  • Young GC：主要针对年轻代，通常具有较短的停顿时间。
  • Mixed GC：包括年轻代和部分老年代的收集，目标是在不超过设定的最大停顿时间内尽可能多地回收垃圾。
  • Full GC：作为最后手段，在G1无法满足性能目标时触发，这会导致较长的停顿。

  G1通过分区策略和增量式收集来尽量缩短停顿时间，并允许设置期望的最大停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）。

5. ZGC

• 描述：专为低延迟设计的垃圾收集器，支持非常大的堆（TB级别）。
• 暂停特性：几乎所有的GC工作都可以并发执行，只有少量且非常短暂的STW事件用于根扫描等关键步骤。这些暂停通常在几毫秒以内，极大地减少了对应用程序的影响。

6. Shenandoah

• 描述：类似于ZGC，专注于极低的暂停时间，支持大堆大小。
• 暂停特性：除了极少的、非常短的STW事件外，几乎所有的工作都可以与应用线程并发执行。Shenandoah通过转发指针技术解决了并发移动对象的问题，从而实现了更低的暂停时间。

总结

不同的垃圾收集器根据其设计目标提供了不同程度的停顿优化。对于需要最小化GC停顿的应用程序，如实时系统或对响应时间敏感的服务，选择像ZGC或Shenandoah这样的现代垃圾收集器可能是最佳选择。而对于更注重吞吐量的应用，可能更适合使用Parallel GC或CMS。